1.2. Усилительный каскад с общим истоком

Наиболее распространенная схема усилительного каскада на полевом транзисторе носит название схемы с общим истоком и изображена на рис. 5. Цепь, с помощью которой задается режим покоя, состоит из одного резистора R₁, поскольку для обеспечения этого режима необходимо задать постоянное отрицательное напряжение U_зи. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, потенциал затвора можно считать равным нулю независимо от значения сопротивления R₁. При расчете каскада сопротивление R₁ обычно выбирают равным 0,12 МОм, поскольку, как будет показано ниже, именно оно определяет входное сопротивление каскада.

Рис. 5. Усилительный каскад с общим истоком

Для расчета остальных сопротивлений каскада необходимо задать ток стока в режиме покоя I_с. Соответствующее ему напряжение U_зи, с одной стороны, можно вычислить по формуле (1), с другой стороны, как видно на рис. 5, оно равно U_зи = –I_иR_и = –I_сR_и. Таким образом, выражение для R_и может быть записано в виде

.

(8)

Стоковое сопротивление R_с легко найти, задав напряжение сток-исток в режиме покоя U_си. Действительно, так как E – U_си = I_с(R_c + R_и), получим

,

(9)

где U_си выбирается так, чтобы даже при максимальном значении выходного сигнала u₂ рабочая точка не попадала в область быстрого роста выходных ВАХ полевого транзистора (рис. 3, б), то есть в соответствии с условием

.

Дальнейший анализ схемы будем вести в области средних частот, рассматривая эквивалентную схему каскада (рис. 6). При построении эквивалентной схемы предполагалось, что емкости конденсаторов C₁ и C₂ удовлетворяют условиям:

(10)

Рис. 6. Малосигнальная эквивалентная схема каскада с общим истоком

где f_min – нижняя граница частотного диапазона усиливаемых сигналов. По эквивалентной схеме нетрудно получить выражение для коэффициента усиления каскада

(11)

и его входного и выходного сопротивлений:

.

В заключение добавим, что для полевых транзисторов схемы с общим затвором практически не применяются, так как при таком включении не используется свойство высокоомности цепи затвор-исток. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) применяется чаще, однако в основном – для уменьшения входной емкости, поскольку входное сопротивление каскада с общим истоком и так достаточно велико.

1.3. Управляемые сопротивления на полевых транзисторах

Одной из самых интересных областей применения полевых транзисторов является использование их в качестве сопротивлений, управляемых напряжением. При малых напряжениях сток-исток в области быстрого роста выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора достаточно линейны, что позволяет использовать его как переменное омическое сопротивление. Фрагмент выходных ВАХ для малых положительных и отрицательных напряжений u_си показан на рис. 7. Используя выражения (3) и (4) и учитывая малость u_си, найдем эквивалентное омическое сопротивление R_си полевого транзистора

.

Рис. 7. Выходные характеристики полевого транзистора при малых напряжениях u_си

Рис. 8. Управляемый делитель напряжения (а) и способ

линеаризации его передаточной характеристики (б)

Минимальное значение сопротивления R_си достигается при u_зи = 0 и составляет единицы Ом. На рис. 8, а приведена схема управляемого делителя напряжения с коэффициентом деления, равным R_си/(R₁ + R_си), причем R_си изменяется в зависимости от управляющего напряжения u_у. Для увеличения диапазона регулирования обычно выбирают сопротивление R₁ много большим минимального значения R_си, а для линеаризации выходных характеристик транзистора, то есть для расширения диапазона напряжений, используют компенсирующие резисторы, как это показано на рис. 8, б. При этом часть напряжения сток-исток добавляется к напряжению затвор-исток, что частично компенсирует увеличение эквивалентного сопротивления. Оптимальная линеаризация достигается при R₂ = R₃ >> R_си, поскольку при этом

.

Если это выражение подставить в формулу (4), получим линейную связь между током стока и напряжением сток-исток

.